JP4239401B2

JP4239401B2 - 内燃機関の燃料噴射装置

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Publication number: JP4239401B2
Application number: JP2000364670A
Authority: JP
Inventors: 彰河端; 英嗣竹本; 英生成瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2002161788A; DE10158547A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置に関し、詳しくは、ピエゾインジェクタを用いた燃料噴射装置の減圧機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関のコモンレール式燃料噴射装置では、各気筒に共通の蓄圧室（コモンレール）を設けて、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄圧している。この装置では、コモンレール圧、水温、エンジン回転数といった機関の運転状態に応じて、高圧ポンプからコモンレールへの圧送量を調整し、コモンレールの燃料圧を目標圧力に制御するとともに、上記運転状態に基づいて燃料噴射量を算出し、所定のタイミングでインジェクタから各気筒に噴射供給している。この時、燃料噴射圧力（コモンレールの燃料圧）が適正でないと、燃費や排気浄化性能が低下したり、可変ショック、騒音等が発生する。これを防止するため、例えば、特開平２−１９１８６５号に記載されるような、燃料噴射圧力の調整手段を備えた装置が提案されている。
【０００３】
コモンレール圧の調整は、通常、昇圧時にはコモンレールへの圧送量を燃料噴射量より増量し、減圧時には燃料噴射量より減量ないし圧送を停止することによって行われる。ところが、例えば、急減速時した後、再びアクセルを操作したり、機関の停止直後に再始動した場合には、燃料噴射が休止されて燃料が消費されないために、コモンレール圧が目標圧力まで低下せず、次の操作時に目標圧力より高い圧力の燃料が噴射されてしまう。これが上記不具合の原因になることから、特開平２−１９１８６５号の装置では、インジェクタを開閉する電磁弁を、電磁弁の開弁からノズルニードルが実際に噴孔を開放するまでの遅延時間（無効噴射期間）より短い時間幅で駆動する「空打ち」を行って減圧する。電磁弁の開弁により、コモンレール内の高圧燃料が低圧側へ溢流するので、燃料噴射を行うことなく、コモンレール圧を速やかに降下させることができる。
【０００４】
一方、インジェクタには、従来より特開平２−１９１８６５号の装置で使用しているようなソレノイド駆動式のインジェクタが使用されているが、近年、これに代えて、より応答性に優れるピエゾ駆動式のインジェクタを用いることが検討されている。ピエゾ駆動式のインジェクタは、インジェクタの開閉を、電圧の印加により伸縮する圧電素子を利用したピエゾ弁で行うもので、印加電圧に応じた伸縮量を速やかに発生して弁体を駆動させることができるため、燃料噴射の制御性を向上させることが期待される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピエゾ駆動式のインジェクタを用いて、上記従来の装置のような「空打ち」による減圧制御を行うことは、以下の理由で困難であった。すなわち、ソレノイド駆動式のインジェクタは無効噴射期間が約４００μｍと長く、この無効噴射期間の範囲内、例えば、３００μｍの時間幅でソレノイド弁を開閉駆動すればよいのに対し、ピエゾ駆動式のインジェクタは、その特徴である高応答性のため、無効噴射期間がソレノイド駆動式のインジェクタに比べてはるかに短い。このため、無効噴射期間よりも短い時間幅でピエゾ弁を開閉動作させる「空打ち」駆動は実現困難であった。
【０００６】
従って、ピエゾ駆動式の燃料噴射装置における減圧制御は、通常、コモンレールに設けた専用の減圧弁によるのが一般的で、必要に応じて減圧弁を開閉することにより、コモンレール圧が目標値より高くなりすぎないようにしている。ところが、この方式では、専用の減圧弁と弁を制御する制御回路が必要であり、部品点数の増加による装置の大型化やコスト上昇が問題となる。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、ピエゾインジェクタを用いた燃料噴射装置において、空打ち駆動による減圧制御を可能にし、通常噴射時の高応答性と、減圧時の制御性の両方を、装置の大型化やコスト上昇をまねくことなく両立させることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の内燃機関の燃料噴射装置は、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄える蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射するピエゾ駆動式のインジェクタと、機関の運転状態に応じて上記高圧ポンプと上記インジェクタの駆動を制御する制御部を備えている。
上記インジェクタは、噴孔を開放するノズルニードルと、上記蓄圧室から供給される燃料の圧力を上記ノズルニードルに作用させる制御室と、上記制御室とリーク流路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、所定電圧を印加することにより伸長して上記制御弁を開弁駆動し、充電された電圧を放電することにより収縮して上記制御弁を閉弁駆動するピエゾ駆動部とを有して、上記制御弁の駆動に伴い上記ノズルニードルが開弁して上記蓄圧室から供給される燃料を噴射する構成としてあり、
上記制御部は、内燃機関の運転状態に基づき、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件が成立しているか否かを判定する減圧判定手段と、
上記減圧判定手段により減圧条件が成立していると判定された時に、通常の噴射駆動時よりも上記ピエゾ駆動部に印加される電圧の立ち上がり速度を遅くするか、または上記印加される電圧の立ち上がり速度および充電された電圧を放電する際の立ち下がり速度を遅くして、上記制御弁の駆動から上記ノズルニードルが開弁するに至るまでの無効噴射期間を、通常の噴射駆動時よりも長くする無効噴射期間可変手段と、
上記無効噴射期間可変手段の作動時に、上記制御弁を、延長された上記無効噴射期間よりも短い時間幅で開弁駆動する、空打ち駆動を行って上記蓄圧室の高圧燃料を上記リーク流路へ溢流させ、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させる減圧手段を備えている。
【０００９】
本発明のように、応答性に優れるピエゾ駆動式の上記インジェクタを採用した構成でも、空打ち駆動時のみ無効噴射期間が長くなるように調整することによって、無効噴射期間内での上記制御弁の開弁駆動が可能になる。具体的には、上記無効噴射期間可変手段は、上記ピエゾ駆動部に印加する際の電圧の立ち上がり速度を遅くして、通常の噴射駆動時より実際に制御弁が開弁している時間を短くすることで、制御室の圧力が噴射開始圧まで低下しないようにすることが可能である。充電時の電圧の立ち上がり速度とともに放電時の立ち下がり速度を遅くした場合も、同様に無効噴射期間を長くすることが可能である。よって、通常の噴射駆動時には、短い無効噴射期間で優れた応答性を発揮し、減圧が必要な時には無効噴射期間を長くして、空打ち駆動による減圧制御を行い、騒音等の発生を防止することができる。また、別部材の減圧弁が不要で、装置の大型化やコスト上昇を抑制できる。
【００１０】
請求項２の構成では、上記無効噴射期間可変手段を、上記ピエゾ駆動部への通電電流の大きさを通常の噴射駆動時よりも小さくし、または通電間隔を通常の噴射駆動時よりも大きく変更することにより、上記ピエゾ駆動部の印加電圧の立ち上がり速度または立ち下がり速度を遅くするものとする。
【００１１】
例えば、複数スイッチング方式において、一回に通電される電流を通常の噴射駆動時より少なくすれば、上記ピエゾ駆動部の伸長速度または収縮速度が遅くなり、電圧の立ち上がり速度または立ち下がり速度が遅くなる。一回の通電電流を同じにして上記ピエゾ駆動部へ通電する間隔を大きくした場合も同様で、上記ピエゾ駆動部の伸長速度または収縮が遅くなるために、電圧の立ち上がり速度または立ち下がり速度を遅くすることができる。
【００１２】
請求項３の構成では、上記インジェクタにおいて、上記ノズルニードルは、上記蓄圧室から供給される燃料により開弁方向の圧力を受けるとともに、上記制御室内の燃料により閉弁方向の圧力を受けており、上記制御弁を開弁駆動して上記制御室とリーク流路の間を連通させると、上記制御室の圧力が低下するのに伴い上記ノズルニードルが開弁する構成とする。
【００１３】
具体的には、このように上記制御室が上記ノズルニードルに背圧を与える構成とする。上記構成において、上記制御弁が閉弁している状態では、上記制御室とリーク流路の連通が遮断され上記制御室の圧力で上記ノズルニードルは閉弁している。次いで、上記制御弁を開弁すると上記制御室の圧力が低下し、噴射開始圧以下となると上記ノズルニードルがリフトを開始して燃料が噴射される。この時、上記制御部により、上記ピエゾ駆動部の伸縮速度が遅くなるように調整すると、上記制御弁の開弁から上記制御室が噴射開始圧以下となるまでの時間が長くなり、上記無効噴射期間を長くすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を多気筒ディーゼル機関（以下、エンジンと称する）のコモンレール式燃料噴射装置に適用した一実施の形態について説明する。図１（ａ）はコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図で、エンジンの各気筒に燃料を噴射供給する複数のピエゾ駆動式のインジェクタ１（図にはその１つを示す）と、各インジェクタ１に供給される燃料を蓄圧する蓄圧室としてのコモンレール３と、コモンレール３に高圧燃料を圧送する高圧ポンプ６と、これらをエンジンの運転状態に応じて制御する制御部としての電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）５とを備えている。インジェクタ１は、高圧配管３１によってコモンレール３に、リーク配管４１によって燃料タンク７にそれぞれ連結している。また、コモンレール３は、高圧配管３２によって高圧ポンプ６に、リーク配管４２によって燃料タンク７にそれぞれ連結される。
【００１５】
図１（ｂ）は、インジェクタ１の詳細構成を示す図で、インジェクタ１のハウジング１１は、下半部内にシリンダ１２を設けてノズルニードル１３を摺動自在に収容しており、ノズルニードル１３の上方に移動するとハウジング１１下端の噴孔１４が開放されて燃料が噴射される。シリンダ１２上端部には、ノズルニードル１３に閉弁方向の圧力を与える制御室１５が形成されており、この制御室１５の圧力が増減するのに伴ってノズルニードル１３がシリンダ１２内を上下動する。また、制御室１５内には、ノズルニードル１３を閉弁方向に付勢するスプリング１７が配設されている。ノズルニードル１３は、下半部をやや小径としてシリンダ１２との間に燃料溜まり１６となる環状空間を形成しており、燃料溜まり１６内の燃料によって開弁方向の圧力を受けている。燃料溜まり１６は、高圧配管３１に接続される高圧通路３３に連通し、噴孔１４に燃料を供給すれる。
【００１６】
ハウジング１１の中間部内には、制御室１５の油圧を増減する制御弁としての３方弁８が設けられている。３方弁８は、上端部に低圧ポート８１を、下端部に高圧ポート８２を有する弁室８３内に、ボール状の弁体８４を配してなり、弁室８３は連通路８５を介して常時制御室１５と連通している。低圧ポート８１は、リーク配管４１に接続される低圧通路４３に、高圧ポート８２は高圧通路３３に連通しており、弁体８４のシート位置を切り換えることによって、制御室１５が低圧通路４３または高圧通路３３に連通する。すなわち、弁体８４が上方の低圧シート８１ａに着座して低圧ポート８１を閉鎖すると、高圧通路３３から弁室８３を介して流入する高圧燃料によって制御室１５の圧力が上昇し、弁体８４が下方の高圧シート８２ａに着座して高圧ポート８２を閉鎖すると、制御室１５から低圧通路４３に燃料が溢流して圧力が低下する。
【００１７】
３方弁８は、ハウジング１１の上半部内に収容されるピエゾ駆動部としてのピエゾアクチュエータ２によって駆動される。ピエゾアクチュエータ２は、平板状の圧電体を多数積層してなるピエゾスタック２１と、その下端面に当接してシリンダ２５内を摺動するピエゾピストン２２を備えている。ピエゾスタック２１は電荷の注入により伸長し、電荷の除去により収縮するもので、上端から延びるリード線２６を介してＥＣＵ５に接続される。ピエゾピストン２２は、下端面より突出するロッド２３を有し、ピエゾスタック２１の伸縮に伴いピエゾピストン２２が一体に上下動すると、ロッド２３が３方弁８の弁体８４を駆動する。図１（ｂ）は、ピエゾスタック２１が収縮し、ピエゾピストン２２とともに弁体８４が上昇して低圧ポート８１を閉鎖している初期状態を示し、制御室１５の圧力とスプリング１６の付勢力でノズルニードル１３が下降し、インジェクタ１は閉弁状態にある。なお、シリンダ２５の下端部内には、ロッド２３周りに皿ばね２４が配設されてピエゾピストン２２およびピエゾスタック２１を上方（収縮方向）に付勢している。
【００１８】
制御部であるＥＣＵ５は、図１（ａ）に示すように、エンジンを制御するためのプログラムを実行するＣＰＵと、ＣＰＵからの指令に応じて各インジェクタ１のピエゾアクチュエータ２や高圧ポンプ６等を駆動するコントローラ（制御回路）を有している。ＣＰＵには、クランク軸回転角度、エンジン回転数、アクセル開度、冷却水温、およびコモンレール圧力等を検出する図略の各種センサからの信号が入力され、これらセンサからの信号に基づいてエンジンの運転状態を検出する。そして、エンジンが最適な燃焼状態となるようにコモンレール３の目標圧力を算出し、この目標値と実際のコモンレール圧力が一致するように、高圧ポンプ６に圧送指令信号を出力して、公知のコモンレール圧力のフィードバック制御を行う。
【００１９】
一方、ＥＣＵ５は、上記検出した運転状態に基づき、所定のタイミングでインジェクタ１を駆動してエンジンへの燃料噴射を制御するとともに、インジェクタ１の空打ち駆動によってコモンレール圧力の減圧制御を行う。インジェクタ１を駆動するための制御ブロックを図２に示す。ＣＰＵには、通常の噴射駆動時における目標の燃料噴射量と噴射時期を算出して噴射信号を出力する噴射量・時期演算回路と、コモンレール圧力を低下させるべき所定の減圧条件が成立しているか否かを判定し、減圧条件が成立している時に空打ち信号を出力する減圧判定手段たる減圧判定回路が設けられている。減圧判定は、例えば、急減速時であれば、目標の燃料噴射量と実際のコモンレール圧力を基になされ、噴射量・時期演算回路で算出された目標の燃料噴射量がゼロ以下であり、かつ実際のコモンレール圧力が目標とするコモンレール圧力より高い時に、減圧条件が成立していると判定する。
【００２０】
ＣＰＵから噴射信号が所定の時期に出力されると、コントローラの噴射弁通電処理回路を経由して所定のインジェクタ１が通電駆動され、エンジンの気筒に燃料を噴射する。コントローラの電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路は、インジェクタ１のピエゾアクチュエータ２に充電して所定電圧にするまでの時間および所定電圧から放電する時間を設定するもので、通常の噴射駆動時には、ピエゾアクチュエータ２の駆動からノズルニードル１３が開弁するに至るまでの無効噴射期間を短くして速やかに燃料噴射がなされるように、これら立ち上げ／立ち下げ時間はできるだけ短く設定される。噴射弁通電処理回路は、噴射信号に従って充放電を開始するとともに、電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路で設定した時間で充電または放電が完了するように、ピエゾアクチュエータ２への通電を制御してインジェクタ１を噴射駆動する。
【００２１】
一方、減圧判定回路から空打ち信号が出力されると、コントローラの電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路は、ピエゾアクチュエータ２の充電電圧が所定電圧に立ち上がるまでの時間のみ、または充電電圧の立ち上げ時間と印加された電圧を放電する際の立ち下げ時間の両方を、通常の噴射駆動時よりも遅くする。これによりピエゾアクチュエータ２の駆動からノズルニードル１３が開弁するに至るまでの無効噴射期間が通常の噴射駆動時よりも長くなり、この無効噴射期間より短い時間幅でインジェクタ１を通電駆動する、空打ち駆動を行うことが可能になる。噴射弁通電処理回路は、空打ち信号に従って充放電を開始するとともに、設定変更された立ち上げ／立ち下げ時間で充電または放電が完了するように、ピエゾアクチュエータ２への通電を制御し、インジェクタ１を空打ち駆動する。この時、電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路は、無効噴射期間を通常の噴射駆動時よりも長くする無効噴射期間可変手段を構成し、噴射弁通電処理回路は、延長された無効噴射期間より短い時間幅で空打ち駆動を行ってコモンレール３の高圧燃料をリーク流路４３へ溢流させ、コモンレール圧力を低下させる減圧手段を構成する。この制御の詳細は後述する。
【００２２】
なお、コントローラの故障検出回路は、ピエゾアクチュエータ２の異常を検出するためのもので、例えば、ピエゾアクチュエータ２の充電電圧を検出し、充電から一定時間経過してもピエゾアクチュエータ２の印加電圧が所定電圧に到達しない時、あるいは放電から一定時間経過しても印加電圧がゼロにならない時に、異常信号を出力するように構成される。
【００２３】
図１の構成のインジェクタ１の通常の噴射駆動時の作動を、図３（一点鎖線）を参照して説明する。図１（ａ）において、コモンレール３から高圧配管３１を介してピエゾインジェクタ１に供給される高圧燃料は、高圧流路３３を経て燃料溜まり１６に流入する。同時に、高圧流路３３に連通する３方弁８の高圧ポート８２にも高圧燃料が流入する。ピエゾアクチュエータ２に電圧が印加されていない時（例えば図３のＡの時点以前）、３方弁８の弁体８４は低圧シート８１ａに当接して、高圧ポート８２が開放されており（図１（ｂ）に示す状態）、高圧ポート８２から弁室８３および連通路８５を経て制御室１５に高圧燃料が流入して、制御室１５は高圧となっている。この状態では、ノズルニードル１３に加わる開弁方向の力（燃料溜まり１６の燃料圧力）より、閉弁方向の力（制御室１５の圧力とスプリング１６の付勢力）の方が大きいため、ノズルニードル１３はリフトせず、噴孔１４が閉鎖されて閉弁状態となるため、エンジンの気筒に燃料が噴射されることはない。
【００２４】
次に、ＥＣＵ５からの噴射信号（例えば矩形のパルス信号）により、ピエゾアクチュエータ２に電圧の印加が開始されると（図３のＡの時点）、ピエゾ電圧の上昇とともにピエゾスタック２１が伸長し、ピエゾピストン２２が下降して３方弁８の弁体８４を下方に移動させる。この際、図３に一点鎖線で示すように、ピエゾ電圧が上昇するのに伴い、まず弁体８４が上方の低圧シート８１ａから離れて低圧ポート８１を開放し、次いで、下方の高圧シート８２ａに着座して高圧ポート８２を閉鎖する。そして、制御室１５の高圧燃料が低圧ポート８１から低圧通路４３へ溢流するのに伴い、制御室１５の圧力が徐々に低下し、燃料溜まり１６の開弁方向の燃料圧力が、制御室１５とスプリング１６による閉弁方向の力を上回ると、ノズルニードル１３がリフトを開始する（図３のＢの時点）。すなわち、インジェクタ１は開弁状態となり、燃料溜まり１６と噴孔１４が連通してエンジンの気筒に燃料が噴射される。
【００２５】
その後、ＥＣＵ５によりピエゾアクチュエータ２に印加されていた電圧を放出すると（図３のＤの時点）、ピエゾスタック２１が収縮し、ピエゾピストン２２および３方弁８の弁体８４が上昇する。そして、弁体８４が下方の高圧シート８２ａから離れて高圧ポート８１を開放し、次いで、上方の低圧シート８１ａに着座して低圧ポート８１を閉鎖することにより、制御室１５に再び高圧燃料が流入し、圧力が徐々に上昇する。そして、制御室１５とスプリング１６による閉弁方向の力が、燃料溜まり１６の開弁方向の燃料圧力を上回ると、ノズルニードル１３が下降を開始し、噴孔１４が閉鎖されてインジェクタ１は閉弁状態に戻る。
【００２６】
このように、上記構成のインジェクタ１は、電圧の印加を開始してから実際にノズルニードル３７がリフトを開始するまでに、所定の無効噴射期間（ｔ）を要する。従って、無効噴射期間（ｔ）より短い時間幅で弁体８４を駆動する、空打ち駆動を行えば、コモンレール３からの高圧燃料を制御室１５を経て溢流させることによって、燃料を噴射させずにコモンレール３圧力を減圧することが可能である。ただし、ピエゾ駆動式のインジェクタ１は応答性が良いために、図３に一点鎖線で示した通常の噴射駆動制御条件では、従来の電磁駆動式のインジェクタに比べて無効噴射期間（ｔ）が短く、この無効噴射期間（ｔ）の範囲内で、弁体８４を二位置往復駆動させ、空打ち駆動を行うことは難しい。
【００２７】
そこで、本発明では、ＥＣＵ５によるピエゾアクチュエータ２への通電を制御することにより、通常の噴射駆動時と空打ち駆動時とでインジェクタ１の噴射特性を変更し、空打ち駆動時の無効噴射期間（ｔ_k）が、通常の噴射駆動時の無効噴射期間（ｔ_f）よりも長くなるようにする。具体的には、上記したＥＣＵ５の電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路と噴射弁通電処理回路を用いて、ピエゾアクチュエータ２に充電する際の電圧の立ち上がり速度と放電する際の電圧の立ち下がり速度を調整することによって、無効噴射期間（ｔ）を調整することが可能である。以下、これについて詳述する。
【００２８】
図３に実線で示すように、空打ち信号のパルス幅が、噴射駆動時のパルス幅と同じである時、ピエゾアクチュエータ２に充電する際の電圧の立ち上がり速度が遅くなるように、電圧立ち上げ時間を長くすると、ピエゾスタック２１の伸長速度、すなわち、ピエゾピストン２２の下降速度が遅くなるために、３方弁８の弁体８４が上方の低圧シート８１ａから離れるタイミングが遅くなる。このため、制御室１５の圧力が低下し始めるタイミングが遅くなり（図３のＣの時点）、さらに圧力降下も緩やかになる。従って、弁体８４が下方の高圧シート８２ａに着座するのと、放電開始（図３のＤの時点）がほとんど同時期となり、弁体８４が再び上昇して高圧ポート８２から高圧燃料が流入するために、制御室１５の圧力が、ノズルニードル１３がリフトを開始する圧力（噴射開始圧）Ｐ₀を下回ることがなく、燃料噴射はなされない。その間、高圧ポート８２から低圧ポート８１へ燃料が溢流するために、コモンレール３圧力は低下する。
【００２９】
このように、空打ち信号のパルス幅が噴射駆動時のパルス幅と同程度に長くても、所定電圧に立ち上がるまでの時間（充電時間）を長くすることで、実際に弁体８４が開弁している時間（低圧ポート８２ａを開放している時間）Ｔ_kが、噴射駆動時の弁体８４の開弁時間Ｔ_fよりも短くなり空打ち駆動が可能になる。このインジェクタ１を駆動する噴射パルス幅と噴射量の関係を図４に例示する。本実施の形態の構成のインジェクタ１において、通常の噴射駆動を行った場合には、図中▲１▼のように噴射が開始される噴射パルス幅（＝無効噴射期間（ｔ_f）が約１００μｍであるのに対し、上記図３で説明したように充電時間を長くした場合には、図中▲２▼の通り無効噴射期間（ｔ_k1）は約３３０μｍとなり、図中▲４▼の従来のソレノイド駆動式インジェクタ１の無効噴射期間（ｔ）である約４００μｍに近づく。従って、この無効噴射期間（ｔ_k1）の範囲内で、３方弁８の弁体８４を２位置往復駆動すれば、燃料を噴射させずにコモンレール３圧力を減圧する空打ち駆動が可能である。
【００３０】
なお、充電時の電圧の立ち上がり速度とともに、放電時の電圧の立ち下がり速度を遅くしてもよく、この場合も、無効噴射期間（ｔ_k2）を長くすることができる。ただし、この場合には、放電開始（図３のＤの時点）からのピエゾ電圧の立ち下がり速度が遅くなり、電圧立ち下げ時間が長くなるために、弁体８４が高圧ポート８２を離れて低圧ポート８１を閉鎖するまでに時間を要する。その間、制御室１５の圧力が低下し上昇に転じるのが遅れるため、図中▲３▼のように充電時間と放電時間の両方を遅くした時の無効噴射期間（ｔ_k2）は、図中▲２▼の充電時間のみを長くした場合よりは短くなる（約２２０μｍ）。
【００３１】
次に、本発明を４気筒エンジンに適用した場合のインジェクタ制御の一例を、図５のタイミングチャートを用いて説明する。図６は、インジェクタ１を駆動するための回路構成を示す図で、スイッチングには、充放電時に段階的にスイッチングして充放電を行う複数スイッチング方式が用いられる。ＩＮＪ１〜ＩＮＪ４は各気筒に設けた４つのインジェクタ１（＃１〜＃４）が内蔵するピエゾアクチュエータ２を表し、対応する気筒制御スイッチング素子Ｔ１１１〜Ｔ１１４と切り離し制御スイッチング素子Ｔ１１２、Ｔ１３２を選択することで、所定のＩＮＪ１〜ＩＮＪ４に充放電する（ここでは、＃１のインジェクタ１に対応するＩＮＪ１を駆動させる場合を例にとって説明する）。コイルＬ１５１・スイッチング素子Ｔ１５１・ダイオードＤ１５１は、電圧昇圧回路（ＤＣ−ＤＣ）を構成しており、バッテリの電圧を所定の電圧に昇圧させる。Ｃ１５１は、電圧昇圧回路によって高電圧に変換されたエネルギーを蓄えるコンデンサ、Ｔ１５２は充電用スイッチング素子、Ｔ１５３は放電用スイッチング素子、Ｌ１５２は充放電コイル、Ｒ１１１、Ｒ１１２は充電電流検出用の検出抵抗である。
【００３２】
図５において、まず、通常の噴射駆動時に、ＣＰＵの噴射量・時期演算回路の演算結果に基づき噴射信号が所定の時期に出力されると、コントローラの噴射弁通電処理回路は、＃１のインジェクタ１に対応する気筒制御スイッチング素子Ｔ１１１と切り離し制御スイッチング素子Ｔ１１２をオンする。コンデンサＣ１５１には、Ｌ１５１・Ｔ１５１・Ｄ１５１にて構成される電圧昇圧回路（ＤＣ−ＤＣ）にてピエゾアクチュエータ２へ充電すべき十分なエネルギーが充電されている。さらに、ＣＰＵからコントローラを経由して充電用スイッチング素子Ｔ１５２を駆動するゲート信号が出力されると、この信号に従い充電用スイッチング素子Ｔ１５２がオンし、ＩＮＪ１への充電が開始される。
【００３３】
この時、コンデンサＣ１５１から充電電流Ｉ１１（例えば１０Ａ）が、充電用スイッチング素子Ｔ１５２−充放電コイルＬ１５２−切り離し制御スイッチング素子Ｔ１１２−ＣＯＭＡ−ＩＮＪ１−＃１−気筒制御スイッチング素子Ｔ１１１−検出抵抗Ｒ１１１−ＧＮＤの経路にて流れ、ＩＮＪ１のピエゾ電圧が上昇する。この動作を繰り返し行えば、目標の所定電圧（例えば１５０Ｖ）までピエゾ電圧を充電できる。本実施例では、Ｉ１１−Ｉ１２−Ｉ１３−Ｉ１４というように４回のパルスにて充電がなされ、電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路により予め設定された充電時間Ｔ１で、インジェクタ１を開駆動させるのに必要な上記所定電圧に到達するように制御駆動している。
【００３４】
次に、噴射信号が立ち下がると放電制御に入る。放電時は、充電とは逆に、充電用スイッチング素子Ｔ１５２をオフさせ、放電用スイッチング素子Ｔ１５３を駆動するゲート信号を出力する。これにより、ＧＮＤ−検出抵抗Ｒ１１１−気筒制御スイッチング素子Ｔ１１１−＃１−ＩＮＪ１−ＣＯＭＡ−切り離し制御スイッチング素子Ｔ１１２−充放電コイルＬ１５２−放電用スイッチング素子Ｔ１５３の経路にて放電電流Ｉ２１が流れ、ＩＮＪ１に充電されていたエネルギーが放電されてピエゾ電圧が所定電圧減少する。この動作を繰り返すことで、ピエゾ電圧を０Ｖまで放電する。本実施例では、Ｉ２１−Ｉ２２−Ｉ２３−Ｉ２４というように４回のパルスにて放電がなされ、電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路により予め設定された放電時間Ｔ２で、インジェクタ１を閉駆動させるのに必要な電圧まで制御駆動している。
【００３５】
一方、ＥＣＵ５の減圧判定手段により減圧判定がなされ、空打ち信号が出力されると、空打ち駆動制御が実行される。この空打ち駆動時においても、上記噴射駆動時と同じ駆動シークエンスにてインジェクタ１の駆動を実行することができる。ただし、電圧立ち上げ／立ち下げ時間可変回路により、充電時間Ｔ１’を噴射制御時より長くし、無効噴射時間を長くして、それより短い時間幅でインジェクタ１を空打ち駆動させる。具体的には、噴射弁通電処理回路による一回のピエゾ充電電流Ｉ３１を噴射駆動時の充電電流Ｉ１１の約半分（例えば５Ａ）に設定し、充電回数をＩ３１〜Ｉ３８の８回のパルスとする。一回の充電電流が半分であるから、充電時間Ｔ１’は噴射制御時の充電時間Ｔ１の２倍となり、充電立ち上げ速度を遅くすることが可能である。噴射時の充電時間Ｔ１に対して空打ち時の充電時間Ｔ１’はシステムの要求値によって決定される。
【００３６】
充電時と同様に、放電時も一回のピエゾ放電電流Ｉ４１を噴射駆動時Ｉ２１の約半分（例えば５Ａ）に設定し、放電回数をＩ４１からＩ４８の８回のパルスとして放電時間Ｔ２’にて制御駆動する。一回の放電電流が半分であるから、結果、放電時間Ｔ２’は噴射制御時の放電時間Ｔ２の２倍となり、放電立ち下げ速度を遅くすることが可能である。噴射時の放電時間Ｔ２に対して空打ち時の放電時間２１’はシステムの要求値によって決定される。
【００３７】
以上のようにして、充電時間Ｔ１、Ｔ１’および放電時間Ｔ２、Ｔ２’を調整することにより、無効噴射期間（ｔ）を調整することが可能である。よって、通常の噴射駆動時には、無効噴射期間（ｔ）を短くして高応答性を確保し、空打ち駆動時には、無効噴射期間（ｔ）を長くして、この無効噴射期間（ｔ）の範囲内で空打ち駆動を行い、コモンレール３を減圧制御することが可能である。
【００３８】
図７は、インジェクタ制御の他の例を示すタイミングチャートである。上記図５の実施例では、一回当たりの充電電流値、放電電流値を調整し、通電回数を増すことにより充電時間、放電時間を調整したが、図７の例では、通電回数、電流値は通常の噴射駆動時と同じで、充電（Ｉ３１〜Ｉ３４）、放電（Ｉ４１〜Ｉ４４）のインターバルを長くしている。電流値の調整の代わりに、このようにしても、充電時間Ｔ１’、放電時間Ｔ２’を調整することができ、同様の効果が得られる。
【００３９】
なお、上記図５、図７のタイミングチャートに示した例では充電、放電時ともに時間調整を実施しているが、上記図３で示したように充電時のみ時間調整を実施してももちろんよい。また、これらの例では、空打ち駆動を多気筒のうちの１つの気筒を用いて行う場合を示したが、多気筒のうちの半数の気筒、あるいは全気筒均等に空打ちすることもできる。このようにすれば、より適切な減圧制御を行って、最適なコモンレール圧に制御することができる。
【００４０】
また、空打ち駆動のタイミングは、１気筒当たりの多段噴射のうち、各噴射前毎に行っても、あるいはメイン噴射の前のみ、さらにメイン噴射の前後のみに行ってもよい。このように空打ちを行う気筒数やタイミング等を最適に設定することにより、コモンレール圧の制御性をより向上させることができる。
【００４１】
上記実施の形態では、減圧判定条件を、例えば急減速により、燃料噴射量＜０でかつ実際のコモンレール圧力＞目標コモンレール圧力となった場合としたが、高負荷運転後にエンジンを再始動させたり、スタータスイッチのオン・オフを繰り返すことにより、コモンレール３内の圧力が必要以上に高くなった場合に、本発明を適用してももちろんよい。この場合には、コモンレール３内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件として、例えば、イグニッションスイッチやスタータスイッチがオン状態からオフ状態となったことを確認すればよく、同様にして空打ち駆動を行うことでコモンレール３内の圧力を効率よく低減することができる。
【００４２】
また、上記実施の形態では、制御弁として３方弁を用いたが、２方弁としてももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態の燃料噴射装置の全体構成図、（ｂ）はインジェクタの概略構成を示す断面図である。
【図２】ＥＣＵによる制御のブロック図である。
【図３】噴射駆動時と空打ち駆動時とインジェクタの作動を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】噴射パルス幅と噴射量の関係を示す図である。
【図５】ＥＣＵによる制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】インジェクタを駆動するための回路構成図である。
【図７】ＥＣＵによる制御の他の一例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１インジェクタ
１３ノズルニードル
１４噴孔
１５制御室
２ピエゾアクチュエータ（ピエゾ駆動部）
３コモンレール（蓄圧室）
３３高圧流路
４３リーク流路
５ＥＣＵ（制御部）
６高圧ポンプ
７燃料タンク
８３方弁（制御弁）

Claims

高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄える蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射するピエゾ駆動式のインジェクタと、機関の運転状態に応じて上記高圧ポンプと上記インジェクタの駆動を制御する制御部を備え、
上記インジェクタが、噴孔を開放するノズルニードルと、上記蓄圧室から供給される燃料の圧力を上記ノズルニードルに作用させる制御室と、上記制御室とリーク流路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、所定電圧を印加することにより伸長して上記制御弁を開弁駆動し、充電された電圧を放電することにより収縮して上記制御弁を閉弁駆動するピエゾ駆動部とを有して、上記制御弁の駆動に伴い上記ノズルニードルが開弁して上記蓄圧室から供給される燃料を噴射する構成であり、
上記制御部が、内燃機関の運転状態に基づき、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件が成立しているか否かを判定する減圧判定手段と、
上記減圧判定手段により減圧条件が成立していると判定された時に、通常の噴射駆動時よりも上記ピエゾ駆動部に印加される電圧の立ち上がり速度を遅くするか、または上記印加される電圧の立ち上がり速度および充電された電圧を放電する際の立ち下がり速度を遅くして、上記制御弁の駆動から上記ノズルニードルが開弁するに至るまでの無効噴射期間を、通常の噴射駆動時よりも長くする無効噴射期間可変手段と、
上記無効噴射期間可変手段の作動時に、上記制御弁を、延長された上記無効噴射期間よりも短い時間幅で開弁駆動する、空打ち駆動を行って上記蓄圧室の高圧燃料を上記リーク流路へ溢流させ、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させる減圧手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
上記無効噴射期間可変手段が、上記ピエゾ駆動部への通電電流の大きさを通常の噴射駆動時よりも小さくし、または通電間隔を通常の噴射駆動時よりも大きく変更することにより、上記ピエゾ駆動部の印加電圧の立ち上がり速度または立ち下がり速度を遅くする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
上記インジェクタにおいて、上記ノズルニードルは、上記蓄圧室から供給される燃料により開弁方向の圧力を受けるとともに、上記制御室内の燃料により閉弁方向の圧力を受けており、上記制御弁を開弁駆動して上記制御室とリーク流路の間を連通させると、上記制御室の圧力が低下するのに伴い上記ノズルニードルが開弁する構成である請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射装置。